Во второй части этого мини-сериала Колин Харгис рассматривает эффективное управление гармониками. Часть первая доступна здесь.
Отдельные гармонические токи или напряжения могут быть измерены и указаны в r.m.s. количествах. Часто они могут быть выражены в процентах от фундаментальных. Очень часто приборы для измерения гармоник по умолчанию выдают гармоники в процентах.
Необходимо проявлять осторожность при оценке гармонических данных, особенно текущих данных. Если основной ток низкий из-за низкой мощности нагрузки, то гармоники, выраженные в процентах, будут казаться высокими. Это может ввести в заблуждение. Данные, предоставленные для привода, будут при определенной мощности нагрузки. При пониженной нагрузке гармонические токи уменьшаются по абсолютному значению, но в процентах от основного они увеличиваются.
Это проиллюстрировано на рисунке 7. На рисунке 7(а) показано, как ток и основные гармоники, такие как 5-я и 11-я, увеличиваются с увеличением мощности. На рисунке 7(б) показано, как основные гармоники и THD, выраженные в процентах от основной, падают с увеличением мощности нагрузки.
Рисунок 7: Изменение тока и гармоник в зависимости от мощности нагрузки, выраженное в виде (а) абсолютных величин и (б) % от основного тока
В приводе это может особенно ввести в заблуждение, если пользователь не понимает, что входной ток является функцией мощности, то есть произведением крутящего момента и скорости на валу. Если привод выдает номинальный крутящий момент на пониженных оборотах, то может показаться, что он “работает напряженно”, потому что выходной ток близок к его максимальному значению, а каскад инвертора пропускает этот ток и производит ожидаемые потери мощности в виде тепла. Однако фактическая пропускная способность невелика, и поэтому входной ток также будет низким.
Простым единственным параметром для измерения общего эффекта гармоник является общее гармоническое искажение, THD. Это соотношение (в %) между значением r.m.s. всех гармоник вместе взятых и основной. Для напряжения и тока это может быть обозначено как VTHD и ITHD соответственно.
Опять же, необходимо соблюдать осторожность с ITHD, потому что при уменьшенной нагрузке он будет казаться высоким.
В энергетике коэффициент мощности обычно используется для измерения уменьшения полезной мощности, передаваемой переменным током, если он не находится в фазе с напряжением.
Когда ток и напряжение синусоидальны, это равно cos o.
При наличии гармонического тока и при условии, что напряжение остается синусоидальным, коэффициент мощности может быть разбит на два фактора:
Где коэффициент искажения измеряет уменьшение полезного тока, вызванное искажением:
А коэффициент смещения измеряет уменьшение, вызванное сдвигом фазы:
Значение этих факторов можно проиллюстрировать, рассмотрев двигатель, работающий либо непосредственно от линии электропередачи, либо с приводом:
Таким образом, двигатель имеет очень похожий коэффициент мощности в обоих случаях, что означает, что ток полной нагрузки, потребляемый от сети, очень похож. Однако только с двигателем повышенный ток возникает исключительно из-за того, что ток отстает от напряжения по фазе, тогда как с двигателем и приводом это происходит главным образом из-за наличия гармонического тока.
Коэффициент искажения и THD являются альтернативными показателями уровня искажений или суммарных гармоник. Они связаны следующей функцией:
(где THD выражается в виде доли, а не процента)
Службы электроснабжения действуют по правилам, направленным на защиту энергосистемы и потребителей электроэнергии от чрезмерных гармоник. Каждый опытный пользователь несет ответственность за соблюдение правил. В некоторых регионах, таких как Европейский союз, излучение гармоник от электротехнических изделий, которые используются в больших количествах, регулируется в рамках закона об электромагнитной совместимости. Это означает, что отечественным пользователям и пользователям малого бизнеса не нужно вносить никаких специальных положений. Крупные промышленные пользователи специализированного оборудования должны сами убедиться в том, что их гармоническое излучение не является чрезмерным. Чаще всего правила применяются, когда предлагается новая установка, которая требует нового источника питания от коммунальной службы в качестве условия обеспечения этого источника.
Правила в разных странах разные, но принципы одни и те же. Ключевые этапы показаны здесь:
Что касается установок, то многие коммунальные предприятия действуют по своим собственным правилам, поэтому существует очень много национальных стандартов. Одним из особенно хорошо известных стандартов является IEEE 519.
Стандарты качества электроэнергии включают IEC 61000-2-4, который определяет “уровни совместимости”, которые являются максимально допустимыми уровнями гармоник, в данном случае для промышленных источников питания низкого напряжения. Стандарты МЭК не являются обязательными, но коммунальные предприятия часто используют ограничения, указанные в стандартах МЭК, в качестве отправной точки для своих собственных правил.
Для конечных продуктов существуют стандарты IEC IEC 61000-3-2 для оборудования с номинальным напряжением до 16 А на фазу и IEC 61000-3-12 для напряжения до 75 А на фазу. Европейские версии, такие как EN 61000-3-12, фактически являются обязательными для конечных продуктов, размещаемых на рынке в ЕЭЗ.
Если привод встроен в оборудование, которое подпадает под действие одного из этих стандартов, то вполне вероятно, что он вносит основной вклад в излучение гармоник. Для приводов систем управления необходимо использовать небольшие дополнительные входные дроссели в соответствии с EN 61000-3-12. Информация приведена в паспортах данных по электромагнитной совместимости.
Распространенной проблемой, возникающей при проверке соответствия гармоник оборудования, содержащего приводы, является вопрос правильной номинальной мощности нагрузки. У нас были жалобы на продукты, не прошедшие испытания, когда выяснилось, что испытательная нагрузка была меньше номинальной. Это может быть связано с тем, что приложение не использует все возможности накопителя или из-за невозможности полной загрузки устройства в испытательной лаборатории EMC. Часто бывает трудно создать реалистичную нагрузку в испытательной лаборатории, поскольку машины часто предназначены для работы с большими, грязными или сложными материалами, которые нельзя доставить в лабораторию. Для того чтобы гарантировать соответствие требуемому стандарту, необходимо соблюдать следующие требования:
Естественный уровень гармоник, генерируемых простым выпрямителем, может быть значительно снижен добавлением индуктивности. Это может быть в линии постоянного тока привода или во входных линиях переменного тока. Большинство приводов мощностью более 2,2 кВт используют трехфазное питание и содержат дроссели для обеспечения индуктивности. На рисунке 8 показана типичная форма сигнала тока для такого типа привода. Вы можете видеть, что форма сигнала намного лучше, чем на рисунке 1, хотя она далека от синусоидальной. В этом случае ITHD составляет около 50%, а наихудшая гармоника — пятая, составляющая около 40%.
Рисунок 8: Типичная форма входного тока для привода с трехфазным питанием и входными дросселями.
Этот уровень гармоник подходит для большинства применений в диапазоне мощностей от 3 кВт до нескольких сотен киловатт. Для чувствительных применений, когда общая мощность привода начинает приближаться к мощности источника питания, может потребоваться дальнейшее снижение гармоник. В таблице ниже приведены основные доступные методы с некоторыми примечаниями об их относительных преимуществах.
Некоторые производители приводов поощряют использование “качающегося дросселя”. Качающийся дроссель — изобретение 1920-х годов, где он использовался в некоторых радиоприемниках для сглаживания постоянного тока. Дроссель выполнен со ступенчатым или профилированным воздушным зазором, так что при увеличении постоянного тока часть магнитной цепи насыщается, а индуктивность уменьшается. В результате при малых токах индуктивность увеличивается, и это помогает устранить описанную выше проблему соблюдения пределов гармоник в диапазоне мощностей нагрузки. Это происходит потому, что значение индуктивности само адаптируется к нагрузке.
Поворотный дроссель может принести пользу производителю привода, поскольку он позволяет сократить запас различных значений дросселя для различных номинальных характеристик привода. Это может принести пользу пользователю, позволяя приводу соответствовать стандарту гармоник при сниженной нагрузке без необходимости дополнительного дросселя. На практике довольно сложно сконструировать качающийся дроссель, работающий в широком диапазоне нагрузок, поэтому реальные преимущества невелики.
